采用LM5017的智能电表设计方案

导读：目前中国正处于产业转型期，产业结构调整和能源升级战略等诸多需求要求中国电网进行智能化改造升级，在13年国家提出的新一代的智能电能表系列标准，这就对电源供电提出了新的要求。小编这次推荐的智能电表方案就可以达到这个标准。

近年来，中国国家电网智能化改造非常迅猛。2013 年，中国国家电网公司推出新一代的智能电能表系列标准。在新标准中，对电源供电的规格提出新的要求。
      1 总体需求
      智能电表中的载波通信(PLC)模块供电规格，要求为严格。新标准要求智能电表通信载波 模块供电 12V Vcc，在满载时的输出电压纹波要小于 1‰（单相智能表的满载电流是 125mA，三相 智能表的满载电流是 400mA）。
 
   是常用的三相智能表电源架构。从电源架构上看，智能表通过线性交流变压器+整流桥的方 式，将220Vac 降到较低的直流电压。由于智能表需要有抗接地故障抑制能力(按国网标准，要求在2 倍额定电压的情况下，电能表不能损坏)，其输入电压范围通常较宽一般需要 0.8 倍~2 倍的额定电压。

TI 的 LM5017，是新一代高压同步变换器。其输入电压范围是 7.5V~100V，输出电流可以达到 600mA，非常适合在三相智能表中应用。
 
      2 纹波注入原理
      在新国网规范中，LM5017 需要面对的主要问题是：如何实现载波模块供电时的1‰纹波输出。 LM5017 采用恒定导通时间控制(Constant On-time Control, COT)，其内部框图如图 2 所示。

LM5017 通过 Ron 来设定固定的导通时间长度Ton。当 FB 的电压低于 1.225V 时，内部的快速比较器触发 COT 控制逻辑模块输出固定的 Ton(控制管，即上管)。Ton 时间结束后，关断控制管，直到FB 的电压再次低于 1.225V。
 
      COT 控制的反馈是采用高速比较器来实现。为了保证高速比较器稳定工作，COT 对 FB PIN 的纹 波会有一定的要求，LM5017 要求 FB PIN 的纹波是 25mV。当 LM5017 的输出纹波需要满足国 网对载 波模 块输入纹波<1‰ 的要 求时，其 输出纹波经分压电阻分压后，在FB Pin 的纹波为<1.2mV，远低于 LM5017 的需求，有可能导致 LM5017 工作不稳定。因此，需要外加纹波注入线路，人为在 FB Pin 上产生一定的纹波，使其满足 LM5017 的需求。

是一种纹波的纹波注入电路。其通过 SW Pin 与 Vout 的电压在 Rr、Cr 上产生一个三角 波，其通过 Cac 注入 FB Pin。由于其不需要通过输出纹波来满足 FB pin 的 25mV 的要求，该线路理论上可以达到输出零纹波。

增加纹波注入电路之后，COT 模式环路稳定判定条件如下[1]：

在实际电表应用中，整流桥之后的输出存在较大的低频交流纹波，其对输出纹波的影响非常大， 需要选择合适的纹波注入参数。
 
      3 参数设计
      三相智能电表的给通信载波模块供电时，DC-DC 变换器的规格如下：

输入电压范围：18~50V(50V 为两倍输入耐压)， 220Vac 输入时，输入电压为 21V 左右。输出：12V/400mA，输出电压纹波<12mv。
      开关频率：500kHz
      输出反馈电阻：RFB1 为 1.2kohm，RFB2 为 10.5kohm
 
      3.1 输出电感选择
      设输出电压上的纹波电流为 100mA，正常输入电压在21V 左右，则输出电感为：

      L1 选择为 100uH 电感。在此采用 TDK 的 SLF10145T-101M1R0，DCR 为 0.2ohm。该电感在 19V 输入时，输出电流纹波为：

      3.2 输出电容选择
      输出开关纹波为6mV(考虑一定的裕量)，输出电容采用瓷片电容。式5是计算恒定负载条件下， 满足输出允许纹波的输出电容值。

因此，输出电容选择 10uF 瓷片电容。瓷片电容的 ESR 一般在 2mohm 左右，此应用中电容 ESR 对输出纹波电压的影响可以忽略不计。在实际线路中，为了降低输入低频纹波对输出的影响，输出 电容在 10uF 瓷片电容的基础上，还并了一个 330uF 的电解电容。
 
      3.3 Cr, Rr 选择
      当 Cr*Rr=L/DCR 时，注入的纹波等于电感 DCR 产生的纹波。当 Cr*Rr>L/DCR 时，注入的纹波 小于电感 DCR 产生的纹波。反之，当 Cr*Rr      电感 DCR 产生的纹波，可以由式 6 得到：

需要注入纹波为 25mV，则

      需要满足 COT 模式，环路稳定的判据：

则 Cr 选 3300pF，Rr≤137kohm。此处，Rr 实际选择为 100kohm。
 
      3.4 Cac 选择
      Cac 是为了除去 Cr 上的直流电平。从实验上看，Cac 不能太大，Cac 过大，输出电压的线性调整 率会变差。同时，当输入电压有低频波动时，输出电压上也会产生类似的低频波动，导致输出电压 纹波过大。根据 COT 模式，环路稳定的判据，可得：

因此，Cac 选择为 470pF。
 
      4 实验验证

      实验线路是按图 4 的参数，在 LM5017 的 EVM 板进行修改。 在实际电表应用中，整流桥之后的输出电压存在低频交流纹波。恶劣情况下，DC-DC 变换器的输入电压低频交流纹波峰-峰值可能达到 0.8V 左右。在实验中我们采用直流电源的 VRAMP 功能，在直流电平上产生一个交流三角波，来模拟实际电表中出现的情况。

图 4. LM5017 原理图 

从实验上看，Cac(C3)与 Rr(R1)值的大小，对输出低频交流纹波有较大的影响。Cac 越大时，输 出低频纹波越大。Rr 值越小，输出低频纹波越大。
 
      图 5~图 8 的测试条件为：输入电压 21V(交流分量的峰峰值为 0.8V)，输出为 12V@400mA。如图 5、图 6 所示，当 Cac 为 0.1uF、10nF 时，输出纹波的峰峰值(含低低频分量)为 21.2mV、20.4 mV。在相同的外围参数的情况下，将 Cac 改为 470pF，如图 7 所示，输出纹波的峰峰值降为10.8mV。

      如图 8 所示，与图 7 相比，Rr 降为 49.9kohm，其输出纹波的峰峰值增大到 14.4mV。

图 5. Cac 为 0.1uF 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF)

图 6. Cac 为 10nF 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF)

图 7. Cac 为 470pF 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF)

图 8. Rr 为 49.9kohm 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Cac 为 470pF，Cr 为 3300pF)

图 9. 不同 Cac 的输入线性调整率(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF)

      图 9 是在不同 Cac 时的输入线性调整率比较，其测试条件为：输入电压是直流电压，输出电流为400mA，Rr 为 100koh，Cr 为 3300pF。从图中可看出 Cac 越小，输出电压的线性调整率越好。
 
      5 总结
      LM5017 可以通过适当的纹波注入参数的选择，可以实现载波模块供电时的 1‰纹波输出。按本 文给出的纹波注入参数的计算方式，与实际测试非常吻合。